退火工艺对板式换热器用冷轧TA1钛卷组织与性能的影响

张孝军*，向午渊，孔 玢，刘正乔，陈 兵，韩 聪，蒋孟玲

（1.湖南湘投金天钛金属股份有限公司，湖南 长沙 410205；2.湖南湘投金天科技集团有限责任公司，湖南 长沙 410000）

工业纯钛耐蚀性能突出，同时具有良好力学性能和焊接性能，可作为重要的耐蚀结构材料，广泛用于化工设备、滨海发电装备、海水淡化装置和舰艇零部件等，是我国近年来强力推荐发展的钛材之一[1]。纯钛具有一定的深冲性能和优异的耐腐蚀性能，越来越多的被应用在板式换热器中，全球市场需求量日益增长。由于我国对钛卷产品的开发起步较晚，每年仍需大量进口钛卷和钛加工产品[2]。随着近几年国内钛卷冷轧生产技术的不断进步，我国生产的板式换热器用钛卷开始在国际市场中占有一席之地[3]。钛卷冷轧后需要通过热处理消除内部应力，得到均匀组织，改善钛卷性能，热处理是工业控制和改变金属材料组织、结构和性能的重要手段[4，5]。文献中一般对纯钛板的热处理工艺进行了研究，但对钛卷的退火工艺研究报道的较少。本文从钛卷上取样开展退火工艺试验，研究退火制度对板式换热器用TA1钛卷的组织和性能的影响，为板式换热器用钛卷在工业化生产中的退火工艺提供参考依据。

1 实验

1.1 实验材料及设备

实验采用某公司生产的2.8mm厚度热轧钛卷作为冷轧原料，先对热轧钛卷进行连续退火和表面处理，然后再采用二十辊冷轧机将钛卷轧制到0.5mm的成品厚度。

1.2 实验方案

从0.5mm厚度的冷轧钛卷一端截取试样加工成若干个室温拉伸标准样，冷轧钛卷化学成分见表1。

表1 冷轧TA1钛卷的化学成分（质量百分数，%）

将试样用铜箔保护，然后采用箱式电阻炉对试样进行加热，样品随炉升温至设定温度（580℃、610℃、640℃、670℃、700℃），保温一定时间（15min、25min、35min、45min、55min）后出炉空冷。采用AG-X拉伸试验机测定试样横向和纵向力学性能，试样标距为50mm。然后制备金相试样，金相试样采用600#、800#、1000#、1200#砂纸打磨抛光后，再用HF+HNO3+H2O的混合溶液进行腐蚀，然后在Axiovert40MAT金相显微镜上观察显微组织。

图1 不同温度退火后试样的显微组织（0.5mm）（a）580℃ ；（b）610℃ ；（c）640℃ ；（d）670℃ ；（e）700℃

2 结果与分析

2.1 退火工艺与显微组织的关系

0.5 mm厚度试样经不同温度退火后的显微组织如图1所示，保温时间均为35min。从图1可以看出，试样在580℃退火后已发生完全再结晶，只是晶粒比较细小，尺寸约10μm；当退火温度升高至610℃时，晶粒尺寸变大，约20μm；当退火温度继续升高至640℃时，晶粒发生明显长大；随着温度升高，晶粒持续长大，当退火温度为700℃时，晶粒形态没有明显变化，晶粒尺寸相比670℃退火后有轻微长大，尺寸约56.6μm。

0.5 mm厚度试样在580℃退火不同时间后的显微组织如图2所示。从图2可以看出，随着退火时间的增加，晶粒尺寸没有明显变化。

图3为0.5mm试样在700℃退火保温不同时间的显微组织。从图3可以看出，随着退火保温时间的延长，晶粒逐渐长大并等轴化，当保温35min时，晶粒完成了等轴化，随着保温时间的进一步延长，晶粒尺寸基本没有变化。

退火前，0.5mm试样经过了冷轧变形，试样内部产生了较多的点缺陷以及位错，而且还留存了较多的残余应力，试样内部畸变能较高。退火过程中，畸变能为试样发生回复和再结晶提供了驱动力，试样内部因冷加工残留的各种缺陷随温度升高逐渐消失[6]，再结晶晶粒逐渐长大并粗化，最后趋于稳定。

钛材晶粒尺寸对深冲性能有一定影响，当晶粒尺寸较小时，晶界之间界面强度较高，在冲压过程中，钛材因界面强度高容易开裂。当晶粒尺寸较大时，钛材冲压后表面容易形成橘皮纹而影响后续使用。所以在实际生产中，要严格控制好钛卷晶粒尺寸，保证钛卷深冲性能处于稳定范围内。

2.2 退火工艺与性能的关系

图4为试样在580℃～700℃退火保温35min后的力学性能数据。从图4可知，随着退火温度增加，试样的抗拉强度和屈服强度呈现下降趋势，纵向延伸率呈增加趋势，670℃时纵向延伸率增幅开始下降，在700℃时纵向延伸率达到峰值47%；横向延伸率波动范围比较小，整体呈轻微上升趋势。从图4还可看出，试样在670℃～700℃退火时，抗拉强度、屈服强度和断后延伸率变化较小，力学性能逐渐趋于稳定。但值得注意的是，由于钛卷在较高温度进行真空退火时，钛卷层间容易发生粘接[7]，所以为了实现钛卷较好的深冲性能，在对钛卷进行较高温度成品退火时，应采取适当的措施控制粘接问题。

随着退火温度升高，试样冷轧变形时产生的位错发生攀移，逐渐形成大角度晶界并在该处产生细小晶核[8]。当试样在640℃温度退火后，这些细小的晶核以“吞食”周围基体的形式逐渐长大并等轴化；同时试样内部位错密度和因轧制残留的各种缺陷随着温度退火的升高逐渐降低。当退火温度达到670℃时，试样的再结晶软化作用的增长率开始逐渐减小，试样的力学性能趋于稳定。由于试样在冷轧过程中横向方向几乎没有发生变形，退火后在横向方向产生了再结晶织构，当退火温度继续升高后，冷轧织构开始全部转变为再结晶织构，所以横向延伸率呈轻微上升趋势[9]。

图5 为试样在700℃保温不同时间后的力学性能图。从图5可以看出，随着保温时间的延长，纵向延伸率先增加后降低，当保温45min，试样纵向延伸率最高。当保温时间继续延长时，晶粒长大的速度加剧，粗大的晶粒内部大量位错塞积到晶界处，从而因局部应力过大造成晶界开裂，最终导致延伸率开始出现下降趋势。试样横向延伸率总体变化较小。抗拉强度和屈服强度波动范围很小。

图5 不同退火时间对试样力学性能的影响

3 结论

（1）从0.5mm厚度TA1钛卷上取样进行了退火工艺试验，当退火温度在580℃～700℃时保温35min，580℃已发生完全再结晶，640℃时晶粒发生明显长大，700℃时晶粒尺寸达到56.6μm。试样在700℃进行保温时，随着保温时间的延长，晶粒逐渐长大并等轴化，当保温35min时，晶粒完成了等轴化。

（2）随着退火温度的升高，0.5mm厚度的TA1试样纵向延伸率逐渐升高，在700℃时纵向延伸率达到峰值47%；横向延伸率波动范围比较小，整体呈轻微上升趋势。试样的抗拉强度和屈服强度均呈下降趋势。

（3）综合组织与性能，0.5mm厚度TA1钛卷退火温度宜控制在670℃～700℃左右。